具高损伤阈值的钽酸锂薄膜微盘腔- 大数跨境

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具高损伤阈值的钽酸锂薄膜微盘腔

两江科技评论

2020-08-03

导读：近日，上海交通大学陈玉萍、陈险峰课题组基于绝缘体上氧化物钽酸锂薄膜（LTOI），利用半导体加工工艺首次制备了微米级钽酸锂微盘腔(直径50 µm)结构，获得了高效的倍频（773.68 nm）输出和级联三

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撰稿| 由课题组供稿

导读

近日，上海交通大学陈玉萍、陈险峰课题组基于绝缘体上氧化物钽酸锂薄膜（LTOI），利用半导体加工工艺首次制备了微米级钽酸锂微盘腔(直径50 µm)结构，获得了高效的倍频（773.68 nm）输出和级联三倍频（515.91 nm）输出。同时从实验上验证了钽酸锂微腔在高功率（500 mW）输入光下稳定工作的可能性。基于上述工作，研究人员预测了钽酸锂薄膜的激光损伤阈值约为100 KW/cm^-2量级。

研究背景

铌酸锂（LN）晶体以其优越的电光性能而可以高效地将电子信号转换为光信号，已经是最广泛使用的光学材料之一。而随着半导体制备工艺在商用光学级铌酸锂薄膜上的广泛使用和日趋成熟，该材料的力，热，声性能开始显著，与其卓越的非线性光学（电光，非线性频率转换，光折变等）性能一起，为薄膜铌酸锂在未来集成光子信息领域逐渐找到一系列的应用，人们开始期待不受半导体载流子迁移速率影响的超带宽“光谷”时代的到来。

但是，铌酸锂(LN)晶体材料由于本身光损伤阈值较低（0.12 GW/cm^-2）以及在深紫外波段不透明（350 nm-5000 nm）的特性限制了其在高功率器件以及深紫外波段的应用。相比而言，钽酸锂（LT）晶体材料具有更宽更低的透明波段（280 nm-5500 nm）和更高的损伤阈值（0.5 GW/cm^-2），这使得其能在紫外波段及高功率器件的应用上发挥独特的优势。

1997年，南京大学祝世宁院士等人曾在体材料钽酸锂中成功制备出一种Fibonacci准晶结构，实现了准相位匹配的倍频，和级联的高效三次谐波产生（Science, 1997, 278(5339): 843-846），开启了基于铁电畴工程的准位相匹配非线性光学、多波长激光技术以及量子光学应用。在科技发展日新月异的今天，基于体材料晶体的多种非线性光学应用也随着集成光子学和半导体制备技术的发展在芯片器件集成上开始得到越来越多的关注。

创新研究

课题组基于绝缘体上氧化物钽酸锂薄膜（LTOI）首次制备了直径为50 µm的钽酸锂微盘腔，其品质因子Q在1544.24 nm处为2.67*10⁵。该微盘腔制备过程中上海交通大学AEMD平台提供了FIB技术支持，所使用的LTOI薄膜基片为500微米厚的硅衬底，上面一层2 µm厚二氧化硅氧化层，通光层为600 nm厚度的Z切钽酸锂单晶薄膜。

图 1 （I）钽酸锂微盘腔制作工艺 (a)LTOI薄膜结构 (b) FIB刻蚀与微盘腔SEM图 (c) BOE腐蚀（d）带二氧化硅支柱的微盘腔光学显微镜观察图像（II）50 µm 钽酸锂薄膜微盘腔在通讯波段的透射谱及对应1544.24 nm 谐振峰的洛伦兹拟合。

基于上述高Q值的薄膜钽酸锂微盘腔, 课题组仔细研究了其非线性频率转换特性，并观察到了有效的倍频输出和级联三倍频输出。同时，实验上验证了钽酸锂微腔在高功率输入光下稳定工作的可能性。实验中功率为500 mW的1.55 µm波段可调连续激光通过拉锥光纤耦合到较高品质因子（Q~10⁵）的钽酸锂微盘腔中，钽酸锂微盘腔未出现结构损坏（Q值未降低），并获得了波长为773.68 nm 的2 µW的倍频光输出，以及肉眼可见的三倍频散射光。当输入激光功率达到507 mW时，钽酸锂微盘腔可能被损坏（Q值显示明显下降），此时计算得到的腔内功率密度约为82.8 KW/cm^-2。

基于上述工作，研究人员预测了钽酸锂薄膜的激光损伤阈值约为100 KW/cm^-2量级，为钽酸锂薄膜材料在集成光子领域的高功率应用提供了一个参考。而随着钽酸锂薄膜制备技术的成熟及其商业化，钽酸锂材料在未来紫外波段以及高功率器件的集成应用中或可扮演重要的角色，这对于发挥不同材料的优势性能，进行混合集成光路的开发具有重要意义。

图2 较低功率输入下钽酸锂微盘结构中倍频和级联三倍频的产生。

（a）钽酸锂微盘腔倍频产生（773.68nm）（b）倍频和基频的二次关系曲线。

（c）钽酸锂微盘腔三倍频（515.91nm）信号的产生（d）基频与三倍频的三次关系。

图3 输入功率为503 mW时获得了2µW的波长为773.68nm的倍频，内插图为钽酸锂微腔的倍频及三倍频的散射图样。

该成果近期以“High optical damage threshold on-chip lithium tantalate microdisk resonator”为题在线发表在《光学快报》(Optics Letters, 45(15), 4100 (2020))上。上海交通大学物理与天文学院博士生颜雄硕，刘一岸同学为论文共同第一作者，上海交通大学博士研究生葛励成同学（已毕业）、朱兵同学，本科生吴江威同学对本工作亦有重要贡献。上海交通大学陈玉萍教授为论文的通讯作者。陈险峰教授精心指导了本论文工作。相关研究得到了国家重点研发计划、自然科学基金、上海交通大学本科生研究计划（PRP）等的支持。